棉紗緯平針織物的熱濕耦合仿真模擬

中圖分類號：TS186.2 文獻標志碼：A 文章編號：1009-265X（2025）05-0116-10

服裝的核心功能在于幫助人體在日常活動中維持適宜的體溫和濕潤度，該功能主要取決于服裝面料的熱濕傳遞性能。導熱性能良好的面料能快速將身體產生的熱量傳輸到外界環境，給人體提供舒適、涼爽的穿著體驗[1]；纖維性能對織物熱濕舒適性的影響占主要地位，很大程度上決定了織物的吸濕排汗效果[2]。由于紡織品為多孔集合體，大多具有復雜結構和不同種類的纖維，織物內部的熱量、水分動態傳輸過程充滿未知性和不穩定性，較難實際測量及分析織物的熱濕耦合傳遞性能[3-4]。另外，紡織品進行熱濕耦合傳遞時的動態性和環境影響因素的非線性變化，會導致熱濕耦合傳遞模型的求解非常困難。

近年來，隨著有限元仿真技術的不斷發展，部分學者已將有限元法應用于織物的熱量傳遞模擬中，實現了模型求解的準確性與高效率[5-6]，但熱濕耦合傳遞的模擬研究相對較少。熊巧玲等7利用有限元仿真技術構建了圓筒式織物熱濕舒適儀的數值模型，預測分析織物在不同空氣層厚度、不同環境工況下的傳熱與導濕性能；Shen等8運用有限元仿真模擬技術對機織平紋織物試樣進行熱量傳遞模擬，研究手指接觸時織物內部的傳熱效果以及溫度分布情況；Zheng等[9采用有限元法對5/3緞紋組織、雙層平紋組織和雙層斜紋組織的機織物進行傳熱模擬

為深入理解織物內部熱濕耦合傳遞的過程及機理，本文將運用有限元仿真模擬技術對棉紗緯平針織物的熱濕耦合傳遞性能進行探究，擬通過建立緯平針織物的三維幾何模型，利用COMSOL軟件對織物進行熱濕耦合傳遞模擬分析，并將仿真結果與實驗進行對比，驗證緯平針織物熱濕耦合仿真模型的有效性和準確性。

理論與計算

1. 1 熱量傳遞理論

熱量傳遞主要包括3種基本方式：傳導、對流和輻射。但在日常情況下，人體不足以產生有效的熱量輻射，不會對織物內部的熱量傳遞帶來極端影響。因此，織物內外環境之間的熱量傳遞主要以傳導和對流兩種方式進行。根據傅里葉定律可知，織物內部發生導熱時，單位時間內通過給定織物截面的導熱量，與垂直于該截面方向上的溫度變化率成正比，但熱量傳遞方向與溫度升高的方向相反，該定律可用熱流密度 q 形式來表示，如式（1）所示：

式中： q 為熱流密度， W/m² k 為導熱系數， W/（m?C） ：?T/?x 為熱流方向上的溫度梯度，負號表示熱量向低溫區域轉移。根據公式（1）可進一步得織物熱阻的計算公式，如式（2）所示：

式中： R 為織物熱阻系數， m²?C/W;d 為織物試樣的厚度， m 。

1. 2 水分傳輸理論

從織物的組織結構來講，針織物的線圈結構使其具有良好的傳輸性能，如水蒸氣滲透性、透氣性等，并且從纖維到紗線、織物，每個尺度都對織物整體的吸濕性能有影響[10]。織物面料中的水分擴散現象遵循能量守恒定律和菲克定律，由此可計算織物的水分擴散通量 J 指標，計算公式如式（3）所示：

式中： J 為水分擴散通量， g/（m²?h）;D 為水分擴散速率， m²/h;?C/?x 為水分傳遞方向上的濕度梯度，g/m³ 。結合織物所處環境的內外水蒸氣分壓差，使用透濕度 M 來表示水汽實際通過織物的難易程度，計算結果能更加符合真實情況，計算公式如式（4）所示：

式中： M 為透濕度， kg/（m²?Pa?h） ： ΔP 為織物試樣兩側的水蒸氣分壓差， Pa;P_sk 為試驗溫度下的飽和水蒸氣壓力， Pa;Δφ 為透濕儀器測試時，大氣相對濕度與透濕杯內的相對濕度差。

濕阻大，表明織物不容易讓水蒸氣透過，不利于排汗排濕，反之說明水蒸氣容易透過織物，利于水汽的排出。濕阻 R_et 與水分擴散通量 M 之間的關系，如式（5）所示：

式中： R_et 為濕阻， 為試驗板表面溫度是 T 時的飽和水蒸氣潛熱，標準大氣壓條件下為 。

1.3 紗線孔隙率

織物內部、紗線之間和纖維束的內部均存在靜止空氣，因此織物的有效熱濕阻由纖維和空氣兩部分共同組成。可利用孔隙率理論計算織物各組分的孔隙率，計算公式如式（6）所示：

式中： W 為織物試樣的克重， g/m²;S 為織物試樣發生熱濕交換的表面積， m²;ρ 為織物紗線的體積密度， kg/m³ 。

織物總孔隙率 P 代表著織物系統的靜止空氣百分比，包含紗線之間的孔隙率 P₁ 、單根紗線的孔隙率 P₂ 。可利用織物的體積函數求得固體流域的體積 V₁ 和流體域的體積 V₂ ，單根紗線的孔隙率 P₂ 可通過式（7）求得[]：

2 織物幾何模型構建

本文將緯平針織物作為研究對象，其由純棉紗線織造而成，紗線細度為 19.2tex ，織物試樣的正、反面如圖1所示。采用國標來測試織物試樣的基本規格參數，結果匯總見表1。

表1棉紗緯平針織物試樣的規格參數

采用有限元法模擬織物內部的熱濕耦合傳遞，首先需要準確建立織物的三維幾何模型。理想狀態下，織物由無數個相同的線圈單胞循環串套而成，利用蔡司光學顯微鏡對織物試樣進行觀測，測試并記錄一個線圈單胞的結構參數。基于六邊形原理，對織物試樣的單個完整線圈進行空間型值點的賦予，各空間型值點之間的幾何關系以及針織線圈的傾斜角度0，如圖2所示。

將空間型值點1定義在三維幾何原點，根據各點之間的三角函數關系，計算得出針織線圈的傾斜角度 θ 以及空間型值點2、3的 Z 軸坐標，計算公式如式（9）—（10）所示[12]。由于針織線圈的對稱性質，在計算得出空間型值點1一4的三維坐標后，即可推算出完整單個線圈的空間型值點坐標參數，八個空間型值點的坐標匯總于表2，坐標單位為 mm 。

式中： b 為紗線直徑， mm;h 為織物厚度， mm;a 為圖2（b）中空間型值點之間的長度， mm;α 為空間型值點4、3、2之間的夾角， （^°） ; θ 為針織線圈與水平面之間的傾斜角度， （^°） 。

得到單個完整線圈的空間型值點后，根據織物規格構建7個循環線圈的空間型值點，采用有理B樣條曲線構建紗線的屈曲路徑，保證紗線模型幾何參數的完整性；接著使用AutoCAD軟件中的三維模型掃掠功能，根據實測的紗線細度對幾何路徑賦予直徑屬性，形成單根完整的紗線模型；最后，根據緯平針織物試樣的橫密、縱密參數，對多個線圈模型進行陣列分布。紗線模型的建模過程如圖3（a）—（c）所示，截面形狀統一為標準圓形，直徑為 0.126mm ，最終構建的完整織物幾何模型如圖3（d）所示，幾何模型為實體。

3 COMSOL有限元仿真模擬

當織物內外環境之間存在溫度和濕度差時，織物系統和衣下空氣層內會同時發生熱量傳遞和水分傳遞。在日常生活情景中，人體皮膚表面的舒適溫度為 32^°C 左右，織物系統和衣下空氣層內主要以傳導和對流的方式進行熱量傳遞，水分傳遞主要包括蒸發、吸濕和擴散3種方式。人體皮膚表面的汗液有氣態和液態之分，氣態水分主要通過織物中的纖維吸濕、放濕和織物孔隙中的空氣向外擴散，液態水分主要通過纖維的吸濕、擴散進行傳遞，再考慮織物本身的物理屬性，織物的熱濕傳遞機理將變得更加復雜[13]。當紗線和纖維吸濕時，會釋放吸濕熱，導致織物系統內的溫度上升，蒸汽壓力升高，降低織物內外環境之間的水蒸氣分壓梯度，進而減慢水分傳遞的速率[14]。因此，織物系統和衣下空氣層中的熱量傳遞與水分傳遞相互影響，共同形成了熱濕耦合傳遞現象。

緯平針織物試樣的實驗測試場所為恒溫恒濕的房間，占地約 30m² 。測試過程中，實驗人員需穿上由棉紗緯平針織物制成的T恤衫，在室內進行慢跑活動，全程 10min ，跑速為 6.5km/h 。慢跑前后，實驗人員需靜坐在椅子上，使用動態溫濕度自動記錄儀監測針織服裝的熱濕指標。根據服裝工效學的相關方法得知，通常采用面積加權方式測量計算人體皮膚的平均溫度。然而，由于本文僅測試針織T恤衫，因此只測量人體上半身的主要出汗部位，即前胸部位，進行人體皮膚、衣下空氣層的溫度和相對濕度測量，測試結果如表3所示。

表3織物微環境熱濕指標的變化情況

3.1 假設條件

為了提高仿真模擬的計算效率，本文對仿真條件進行合理簡化，并對緯平針織物的熱濕耦合傳遞進行以下假設：

a）假設通過緯平針織面料的熱量、水分通量方向垂直于織物表面。

b）假設纖維材料的物理屬性為各向同性。

c）假設棉紗緯平針織面料與外界環境之間的熱量交換以傳導和對流的方式進行，以擴散的方式進行水分傳遞。

3.2 仿真模型設置

將緯平針織物三維模型（見圖4（a））導入有限元分析軟件COMSOL中，利用軟件構造出位于人體皮膚和織物系統之間的衣下空氣層，再使用布爾運算操作將織物模型和空氣部件形成聯合體模型，如圖4（b）所示。通常情況下，當衣下空氣層厚度較小時，織物內部的自然對流對熱量、水汽傳遞的影響較小[15]。緯平針織物的熱濕耦合仿真模型分為兩個區域和兩個邊界，分別是衣下空氣層區域、織物系統區域以及人體皮膚表面、外界空氣兩個邊界，其中，本文為了展現服裝的貼身穿著狀態，將衣下空氣層的厚度定義為 2mm ，以及織物系統區域包含織物、靜止空氣模型，緯平針織物的熱濕耦合物理場如圖4（c）所示。

模型構建完成后，需要對各個部件進行網格劃分。一般來說，幾何模型中網格數量越多，有限元模擬結果越精確，但也意味著計算需要更多的求解時間和計算內存，以及網格單元的階數和劃分方法也會影響網格描述的精度。由于緯平針織物模型具有彎曲結構，使用自由四面體網格可以精確描述復雜的幾何特征，提高仿真模擬的精確度；而衣下空氣層模型僅為一個矩形結構，采用五面體網格即可準確描述。因此，本文使用COMSOL軟件的自由劃分網格功能，對織物系統模型使用自由四面體網格劃分；對衣下空氣層模型采用五面體網格，即掃掠操作，源面為靠近衣下空氣層的織物系統模型內表面，目標面為靠近皮膚表面的衣下空氣層內表面。該網格劃分方法保證了二者之間的網格節點連續性，并在仿真模擬的網格質量檢測中，發現網格密度統一定義為細化時，得到的模擬熱阻及濕阻參數的變化不大，最終采納此網格劃分密度。織物系統模型的自由四面體網格數為590884，衣下空氣層模型的五面體網格數為35175，熱濕耦合模型一共包含626599個單元，網格劃分結果如圖5所示。

3.3 邊界條件與求解運算

創建三維模型后，使用COMSOL有限元仿真軟件中的多物理場耦合功能，重現織物內外環境的實際場景，預測織物系統和衣下空氣層中的熱濕耦合傳遞過程。將棉紗和空氣的物理參數賦予對應的幾何模型，材料參數如表4所示。設定人體皮膚表面的恒定溫度為 32.3^°C 、恒定相對濕度為 45.0% ；衣下空氣層的初始溫度為 34.6^°C 、初始相對濕度為71.0% ；針織物的初始溫度為 22.0^°C 、初始相對濕度為 65.0% ；外界空氣的恒定溫度為 22.0^°C 、恒定相對濕度為 65.0% 。運用熱濕耦合多物理場進行方程求解，結合傳熱、導濕物理場構建傳質方程，并選擇瞬態研究，充分模擬緯平針織物的熱濕耦合傳遞過程。為確保熱濕耦合多物理場的預測結果達到動態傳遞平衡，設置仿真研究的總時間為 300.0s 步長為0.5s，初始為 0s 。

1 熱濕耦合仿真模擬結果與分析

緯平針織物的熱濕耦合仿真模型描述了熱量、水分傳遞之間的耦合作用及影響。本部分重點研究緯平針織物仿真模型的熱濕耦合傳遞過程，包括織物系統模型的溫度、濕度分布云圖以及熱通量、水汽通量等結果

4.1 熱量傳遞分析

模擬運算完成后，對熱濕耦合仿真模型的織物模型進行熱量傳遞分析，將整個模擬過程劃分為兩個階段，包括變化狀態（ t=0～234.0 s）和平衡狀態（ t=234.0～300.0s） ，其中， Δt=234.0 s為熱量傳遞轉變為動態平衡的時間節點。在變化狀態中，由于人體皮膚和外界空氣存在溫度差異，人體皮膚表面的熱量會持續向外界空氣傳遞；達到 Ω_t=234.0 s時，織物系統內部的熱量傳遞處于動態平衡，織物內部的溫度分布將不再發生變化。本文分別監測了兩個狀態下織物模型的熱量傳遞現象，觀察時間點分別為0.5s和234.0s，織物模型的正、反面以及側面的溫度分布如圖6所示。

觀察織物模型的正、反面溫度分布可發現（見圖6），貼近人體皮膚表面的區域溫度較高（織物反面），尤其是針織線圈的經編弧和沉降弧部位；靠近外界空氣的區域溫度較低（織物正面），尤其是線圈的圈柱部位。具體表現為：當 t=0.5 s時，織物模型的最高溫度為 22.6^°C ，最低溫度為 22.0^°C ，相差了2.7% ;當 t=234.0s 時，織物模型的最高溫度為 27.9^°C ，最低溫度為 27.0^°C ，相差了 3.2% ，可發現兩個時間點的溫度最大值與最小值的差值近似。為了準確分析織物系統內部的熱量傳遞，重點關注針織線圈串套區域，選取的時間節點為 Δt=5.0Δs 。并且，平行織物表面進行水平面分割，該切面平均分割了線圈串套區域，可得到相同厚度的織物系統模型切面云圖，t=5.0 s時織物系統的溫度和熱通量分布如圖7所示

由于緯平針織結構的特殊性，鄰近的紗線相互串套，形成緊密接觸的線圈串套區域。圖7中的放大圖像為針織線圈的單胞結構，可發現線圈串套區域的平均溫度低于鄰近靜止空氣，而平均熱通量高于鄰近靜止空氣。具體表現為，當 t=5.0 s時，線圈串套區域的平均溫度為 22.60^°C ，平均熱通量為139.95W/m² ;而鄰近靜止空氣的平均溫度為 22.68^°C ，平均熱通量為 37.01W/m² 。得知，前者的平均溫度、平均熱通量分別比后者低 0.4% 和高 73.6% ，在t=5.0s 至 t=234.0s 時間段內，線圈單胞內不同區域的熱量傳遞效果相差明顯

觀察圖7（b）可發現，線圈單胞內的靜止空氣平均熱通量顯著低于線圈串套區域，表明皮膚的熱量主要通過線圈串套區域向外傳遞。已知，衣下空氣層的初始溫度高于織物系統，熱量需從高溫區域向低溫區域轉移，即從人體皮膚表面向外界空氣傳遞。然而，緯平針織物的線圈串套區域具有特殊結構，能有效鎖住流動空氣，形成靜止空氣層，從而顯著減少對流方面的熱量損失；并且，線圈單胞內靜止空氣的體積占比大于紗線組分，這一特點也降低了線圈單胞的整體導熱效率。因此，線圈單胞內線圈串套區域的平均溫度低于靜止空氣區域，如圖7（a）所示。織物系統內部的熱量傾向于選擇線圈串套區域作為傳導路徑，通過線圈串套區域向外界空氣傳遞的熱量更多；而靜止空氣則延緩熱量向外傳遞的速度，具有一定的保溫性。

4.2 水分傳遞分析

對緯平針織物熱濕耦合仿真模型的水分傳遞進行分析，將總過程劃分為兩個階段，包括變化狀態（ Δt=0～264.0s ）和平衡狀態（ t=264.0～300.0s） 。變化狀態下，由于人體皮膚和外界空氣的相對濕度存在差異，織物系統內外表面之間具有水蒸氣分壓差，使得水汽從衣下空氣層向外界空氣傳遞；平衡狀態下，織物正面、反面之間已形成穩定的濕度差，織物模型的相對濕度分布情況將不再變動。本文分別監測了兩個狀態下織物模型的水分傳遞現象，時間分別設定為1.0s和264.0s，織物模型的正、反面以及側面的相對濕度分布如圖8所示。

從圖8可看出，當 Ω_t=1.0 s時，水分主要積聚在織物反面，織物模型的最高相對濕度位于紗線的沉降弧和經編弧部位，數值為 65.6% ，最低相對濕度位于圈柱部位，數值為 65.0% ；當織物模型內的水分傳遞達到動態平衡時，即 t=264.0s ，水分主要積聚在織物正面，織物模型的最高相對濕度位于圈柱部位，數值為 54.2% ，最低相對濕度位于紗線線圈的經編弧和沉降弧部位，數值為 53.0% 。隨著時間推移，織物模型的整體相對濕度水平均有所下降，這是因為受試者運動出汗后，衣下空氣層的初始平均相對濕度高于織物系統和外界空氣，織物反面的水蒸氣分壓高于正面，水分從衣下空氣層向外界空氣傳遞；衣下空氣層中的多余水分不斷被紗線吸收，再緩慢地向外界空氣轉移，最終導致衣下空氣層的穩定平均相對濕度低于織物系統和外界空氣，此時的水分傳遞處于動態平衡。

通過對比變化狀態下不同時間點的水分傳遞現象，發現 t=15.0 s的水分傳遞現象具有代表意義，此時的水分傳遞速率較快，能有效反映水分傳遞規律。與圖7的熱量傳遞分析方法類似，平行于織物表面進行切割，織物系統的相對濕度、水汽通量分布如圖9所示。

觀察圖9中線圈串套區域的放大圖像，發現 ?_t= 15.0s時紗線和靜止空氣的水分傳遞性能差異明顯。此時，線圈串套區域的平均相對濕度為66.1% ，鄰近靜止空氣的平均相對濕度為 65.9% ，前者高出后者 0.3% ；而線圈串套區域的平均水汽通量為 27.45g/（m²?h） ，顯著低于鄰近靜止空氣的平均水汽通量 63.11g/（m²?h） 。當織物系統內水汽傳遞處于變化狀態時，皮膚表面、衣下空氣層和外界空氣三者之間都存在濕度差，衣下空氣層和外界環境之間存在較大的水蒸氣分壓差，使得水分從衣下空氣層透過織物系統向外界空氣擴散。從圖9（b）可看出，水汽主要通過織物系統內部的孔隙進行擴散，即靜止空氣組分；纖維的水分吸附性也會影響織物系統的整體水分傳遞效率。綜合可知，織物系統整體的水分傳遞效率與纖維的吸水性、織物系統內的靜止空氣含量有關。

4.3 熱濕耦合傳遞綜合分析

為了突出緯平針織物仿真模型的熱濕耦合傳遞現象及效果，分析織物系統模型和衣下空氣模型的平均溫度、平均相對濕度變化情況，結果如圖10—圖11所示。

觀察圖10可知， Δt=234.0 s為織物系統模型和衣下空氣層模型內熱量傳遞轉變為動態平衡的時間點；當 時，織物系統模型和衣下空氣層的平均溫度分別為 22.21°C 和 27.60^°C ；當 s時，兩者的平均溫度分別上升至 27.46^°C 和 30.16^°C ，織物系統模型的平均溫度升高 19.1% ，而衣下空氣層模型的平均溫度僅升高 8.5% 。織物系統模型包含紗線組分和靜止空氣，由于靜止空氣的導熱系數較小，其有效延緩熱量流失，因此，纖維含量會顯著影響整體導熱效果。當熱量傳遞處于平衡狀態時，即 ?_t= 234.0～300.0 s時間段內，織物系統模型的平均溫度始終低于衣下空氣層模型，這是因為織物靠近溫度較低的外界空氣，而衣下空氣層靠近溫度較高的人體皮膚。綜合可知，當織物熱濕耦合仿真模型處于熱量傳遞平衡狀態時，織物系統、衣下空氣層兩者的溫度平均值為 28.81^°C ，可視為織物微環境的平均溫度，此平均溫度符合人體皮膚的熱舒適要求，與劉君妹等[16]對服裝熱濕舒適性的研究結果一致，證實了棉紗緯平針織物能讓人體皮膚保持溫暖、不悶熱的感覺，既能與外界環境持續進行熱量交換，又能維持織物內環境的舒適溫度

觀察圖11可知， t=264.0 s為織物系統模型和衣下空氣模型內水分傳遞達到動態平衡的時間節點。當兩個模型的水分傳遞處于變化狀態時，即 t= 0～264.0s 時間段內，織物系統模型的平均相對濕度從 65.0% 下降至 53.7% ，降低幅度為 17.4% ，但在 t=7.5 s時，織物系統模型的平均相對濕度升至最高峰，數值為 65.5% ；與此同時，衣下空氣模型的平均相對濕度從 53.9% 下降至 48.8% ，降幅為9.5% 。得知，織物系統模型的平均相對濕度下降幅度大于衣下空氣模型，并且傳遞平衡后前者的平均相對濕度高于后者，這是因為棉纖維具有良好的吸水性和較快的水分擴散速度，能夠迅速吸收水分直至飽和，即 t=7.5 s時織物系統模型達到吸濕飽和，平均相對濕度達到峰值，在這之后，水分才能通過紗線路徑向外界空氣傳遞。當織物熱濕耦合仿真模型的水分傳遞處于動態平衡時，織物微環境的平均相對濕度為 51.25% ，可視為織物微環境的平均相對濕度，此平均相對濕度符合人體皮膚的透濕舒適要求，與劉君妹等[16]對服裝熱濕舒適性的研究結論一致。這一濕度水平符合了人體皮膚對紡織品吸水透濕的要求，能夠保持皮膚干爽而不干燥，同時實現與外界空氣的水汽交換，維持織物內外環境之間的濕度平衡。

綜合對比圖10—圖11可知，對于織物熱濕耦合仿真模型整體來說，熱量傳遞達到動態平衡的所需時間少于水分傳遞，前者為 t=234.0s ，后者為 t= 264.0s，這是因為當熱濕耦合傳遞處于變化狀態時，織物內外環境之間存在溫度差和相對濕度差現象，導致人體皮膚表面的汗液發生蒸發或冷凝，以及織物含水量變化會造成內部結構發生改變，隨之改變織物的傳熱性能[17]。因此，當織物內外環境之間的溫度差越大，紗線平均溫度的升高速度越快，導致織物系統模型的平均水蒸汽壓升高，降低了織物內外環境之間的汽壓差，一定程度上減緩了織物微環境內的水分傳遞速度。

4.4 實驗與仿真對比

在緯平針織物的熱濕耦合仿真模擬完成后，依據式（2）和式（6）可計算得出織物系統模型的模擬熱阻、濕阻，并使用YG606G紡織品熱濕阻測試儀，多次測量針織面料試樣，實驗結果取平均值，將模擬結果與實驗數據進行對比，結果如表5所示。

表5COMSOL仿真模擬結果與實驗數據對比

由表5可知，緯平針織物系統的模擬熱阻、濕阻與實驗數據非常接近，兩者的相對誤差均屬于可接受的范圍之內（低于 5% ），進一步驗證了緯平針織物熱濕耦合仿真模型的有效性和準確性。仿真模擬結果與儀器實驗之間存在誤差，有多方面因素的影響：1）在前提假設中，將紗線的物理性質定義成各向同性，使得織物系統的模擬有效導熱系數和有效水分擴散系數高于實際情況；2）在建模環節中，忽略了紗線表面的毛羽和紗線之間的擠壓變形，使得織物系統模型中的靜止空氣含量比實際少，導致衣下空氣層的熱量、水分流失增多。

5 結論

本文借助顯微鏡和三維建模軟件，準確測量了棉紗緯平針織物的結構參數并構建三維幾何模型，使用COMSOL仿真模擬軟件預測織物的熱濕耦合傳遞全過程，具體結論如下：

a）當織物內外環境之間存在溫濕度差異時，織物系統內部會發生熱濕耦合傳遞現象：在此過程中，織物系統中的熱量優先通過線圈串套區域向外傳遞，而導熱系數較小的靜止空氣會延緩熱量的損失；汗液蒸發的一部分會被紗線吸收，直至紗線達到吸濕飽和，水分才能通過紗線路徑向外界空氣轉移，而其余的水分可通過靜止空氣組分向外界擴散且速度較快。

b）當仿真模型達到熱濕耦合傳遞平衡后，織物系統的模擬熱阻、模擬濕阻的相對誤差均處于可接受范圍，證明了緯平針織物熱濕耦合仿真模型的計算有效性和預測準確性。

參考文獻：

[1］戚鑫濤，何浩男，李欣，等．基于ANSYS/APDL的織物導熱性能影響因素［J]．現代紡織技術，2024，32（10）：102-113.QI Xintao，HE Haonan，LI Xin，et al．Factors influencing thethermal properties of fabrics based on ANSYS/APDL[J]. AdvancedTextile Technology，2024，32（10）：102-113.

［2］李慧，宋曉霞．吸濕排汗針織面料設計及熱濕舒適性評價［J].服裝學報，2022，7（3）：196-201.LI Hui，SONG Xiaoxia. Design of moisture-wicking fabric andthermal andmoisture comfort evaluation[J].Journal of ClothingResearch，2022，7（3）：196-201.

[3］李瑛慧，謝春萍，劉新金，等．仿真絲織物與真絲織物的熱傳遞有限元仿真［J]．絲綢，2017，54（12）：7-11.LI Yinghui，XIE Chunping，LIU Xinjin，et al.Finite elementsimulation of heat transfer on silk-like fabrics and real silk fabrics[J].Journal of Silk，2017，54（12）：7-11.

［4］孫亞博，馬崇啟，秦愈．基于ABAQUS的緯編針織物熱傳遞有限元分析[J]．針織工業，2021（10）：12-15.SUNYabo，MA Chongqi，QIN Yu. ABAQUS based finite elementsimulation of heat transfer properties of weftknitted fabric[J].Knitting Industries，2021（10）：12-15.

[5］劉薇，雷敏，沈華，等．拉毛針織面料熱傳遞性能的有限元仿真[J]．現代紡織技術，2024，32（8）：100-107.LIUWei，LEIMin，SHENHua，etal.Finite element simulation ofheat transfer properties of brushed knitted fabrics[J]. AdvancedTextile Technology，2024，32（8）：100-107.

［6］張潔，劉新金，謝春萍，等．織物結構參數對熱傳遞性能影響的模擬分析［J]．絲綢，2020，57（2）：13-18.ZHANG Jie，LIU Xinjin，XIE Chunping，et al. Simulation analysisof the influence of fabric structure parameters on heat transferproperties[J]. Journal of Silk，2020，57（2）：13-18.

［7］熊巧玲，董奕辰，劉貴，等．圓筒式織物熱濕舒適儀仿真模擬研究［J]．紡織科學與工程學報，2022，39（3）：22-28.XIONGQiaoling，DONG Yichen，LIU Gui，et al. Simulation offabric thermal and moisture transferring tester in cylindrical shape[J].of Fiber Science and Technology，2017，73（9）：234-249.

[9]ZHENG Z，ZHANG N，ZHAO X. Simulation of heat transferthrough woven fabrics based on the fabric geometry model[J].Thermal Science，2018，22（6）： 2815-2825.

[10］王玥，王春紅，徐磊，等．三維導濕結構環保針織面料開發與吸濕速干性能評價［J]．紡織學報，2022，43（10）：58-64.WANG Yue，WANG Chunhong，XU Lei， et al. Development ofenviron-mentally friendly knitted fabricswith 3-D moistureconductive structure and performance evaluation on moistureabsorption and quick-drying[J]. Journal of Textile Research，2022，43（10）：58-64.

［11］楊恩惠，初曦，邱華．緯編針織物導熱性能的有限元仿真[J].絲綢，2020，57（1）：31-36.YANG Enhui，CHU Xi，QIU Hua.Finite element simulation ofthermal conductivity of the weft knitted fabric[J]. Journal of Silk，2020，57（1） ： 31-36.

[12］楊恩惠，邱華，代文杰．基于六邊形網格結構的針織物三維建模[J]．紡織學報，2019，40（11）：69-74.YANG Enhui，QIU Hua，DAI Wenjie. Three-dimensional modelingandanalysis of knited fabric basedon hexagonal mesh structure[J]．Journal of Textile Research，2019，40（11） ： 69-74.

[13］任風平．多層多孔織物熱濕耦合模擬研究[D]．上海：上海工程技術大學，2018.REN Fengping.Simulation Studyon Heatand Moisture Coupling ofMultilayer Porous Fabric[D].Shanghai：Shanghai University ofEngineering Science，2018.

[14]LISZKA T，ORKISZ J，COMPUTERS，et al. The finite differencemethod atarbitrary iregular gridsand itsapplication inappliedmechanics[J]. Computers amp; Structures，1980，11（1-2）：83-95.

[15］呂婉瑩，徐映紅．防火服熱濕傳遞數學建模及人體皮膚燒傷預測[J]．浙江理工大學學報（自然科學版），2020，43（3）：380-388.LU Wanying，XU Yinghong.Mathematical modeling of heatandmoisture transfer in fireproof clothing and prediction of skin burn[J].Jourmal of Zhejiang Sci-Tech University（Natural Sciences），2020，43（3）： 380-388.

[16]劉君妹，賈立霞，王聯軍．服裝（織物）熱濕舒適性主客觀評判的探討[J]．天津紡織科技，2005（3）：43-46.LIU Junmei，JIA Lixia，WANG Lianjun. Discussion on subjectiveand objective evaluation of thermal and wet comfort of clothing（fabric）[J]. Tianjin Textile Scienceamp; Technology，2005（3）：43-46.

［17］李金嶼，楊允出，劉鳴茗．基于結構特征的織物熱傳遞性能預測研究進展[J]．現代紡織技術，2022，30（1）：18-25.LI Jinyu，YANG Yunchu，LIU Mingming.Research progress in theprediction of heat transfer properties of fabrics based on structuralcharact-eristics[J].Advanced Textile Technology，2022，30（1） ：18-25.

Simulation of heat and moisture coupling in cotton yarn weft plain knitted fabrics

DENG Zhihao，RONG Zheng，LIU Weiwei，TANG Ning，WU Weili （College of Textile Science and Engineering， Zhejiang Sci-Tech University，Hangzhou 310018，China）

Abstract： The heat and moisture comfort performance of clothing is afected by many aspects，including objective factors such as the current ambient temperature，humidity，and wind speed，as well as subjective factors like human psychology.Additionally，traditional research on the heat and moisture comfort performance of fabrics mostly adopts theexperimental detection method.However，due to the complexity of the fabric structure，this method finds it dificult to replicate the heat and moisture coupling transfer effects that occur within fabrics in real environments and even more chalenging to observe heat and moisture transfer phenomena in dynamic situations.In this paper，the finite element simulation method is employed to study the heat and moisture coupling transfer process and phenomena in cotton yarn weft plain knittd fabrics when there are temperature differences and relative humidity differences between the internal and external environments of the fabric.

The research combines sophisticated thre-dimensional modeling with multi-physical field coupling simulation technology to revealthat heatwithin thefabric system preferentialytransfers through the loopedand interlocked regions，while static air components efectively delay heat loss，maintaining a comfortable temperature on the human skin surface.When moisture on the surfaceof the human skin diffuses to the outside air，itis preferentially absorbed bycotton yarn fibersuntil saturation before being transferred to theexternal environment.Therefore，the moisturediffsionrate of staticair components is relatively high.Atheoretical and experimental method is provided for an in-depth understanding of the heat and moisture coupling transfer process and phenomena within weft plain knitted fabrics.The results show that when there are temperature and humidity diferences between the internal and external environments of the fabric，the heat and moisture transferof the fabric microenvironment reaches dynamic equilibrium at t=234.0 s and t=264.0 s，respectively. When the heat and moisture coupling simulation model of the plain knited fabric reaches dynamicequilibrium in heatand moisture transfer，the average temperature of the fabric microenvironment is 28.81^°C ，with a relative humidity of 51.25% . The comparison between the simulated thermal resistance of the fabric system and experimental data shows an error of 2.3% ，and the comparison error for simulated moisture resistance is 4.2% . These findings validate the effectiveness of the heat and moisture coupling simulation model for plain knited fabricsand confirmthe high accuracyand good fitof the finiteelement simulation method.

By applying finite element simulation technology to the analysis of coupled heat and moisture transfer in fabrics，researchers canquickly obtain the efective heat transfer and moisture transfer characteristics of knitted fabrics under various environmental conditions，even with limited experimental resources.This significantly reduces experimental costs and enhances work efficiency.Furthermore，theresearch provides a theoretical foundation for exploring the optimal design of clothing materials.In the future，this method can be further extended to other types of fiber materials and fabrics with different weaves，to investigate their fective heat and moisture comfort performance under diverse environmental conditions.

Keywords：cottonyarn weft plain knited fabrics；3D geometric model;coupled heatand moisture transfer; finite element simulation technology